Plnivo na bázi polyuretanové pěny do izolačních malt a lehkých betonů

Zároveň růst produkce odpadů a jejich stále se zdokonalující způsob separace umožňují propojit tato dvě průmyslová odvětví za účelem vzniku vysoce hodnotných stavebních materiálů využívajících průmyslové recykláty. V příspěvku je popsán jeden ze způsobu využití polyuretanové pěny o objemové hmotnosti 30-60 kg/m^-3 po ukončení jejího životního cyklu jako plniva pro izolační mlaty a lehké betony.

Úvod
Stavební materiály s lehkými plnivy mají v současné stavební praxi stále častější uplatnění v souvislosti s nároky na tepelné a akustické požadavky při současném snížení hmotnosti stavebních konstrukcí. Jako plnivo pro nepřímo lehčené betony se používá nejčastěji drcený nebo drobenkový polystyren, expandované jíly, případně expandovaná vulkanická skla, např. perlit [1, 2, 3]. Novým plnivem, které nachází stále větší uplatnění pro lehčení betonových směsí, je drcená polyuretanová pěna v objemových hmotnostech do 60 kg/m^-3, kterou lze komponovat do směsi, jak samostatně, tak v kombinací s ostatními lehkými plnivy, případně drobným kamenivem [4, 5]. Obdobná situace je v oblasti malt pro omítání, kde vedle klasických tepelně izolačních plniv, tj. perlit a polystyren, je možné taktéž využít drcené polyuretanové pěny ve stejných objemových hmotnostech jako u lehkých betonových směsí [6, 7, 8, 9].

Polyuretanová pěna
Polyuretanová pěna je makromolekulární konstrukční materiál (termoset), na převážně organické bázi. Vzniká vzájemnou exotermní reakcí - polyadicí diphenyldiisocyanátu a směsí vícesytných polyeter a polyester alkoholů, aktivátorů, katalyzátorů, stabilizátorů, retardérů hoření, vody a pomocných nadouvadel [10]. Vlivem teploty chemické reakce a tvořícího se kysličníku uhličitého CO2 se vznikající polyuretanová hmota napěňuje a vytváří uzavřenou mikroskopickou buněčnou strukturu (viz obr. 1), díky které má výsledná polyuretanová pěna výborné tepelně izolační a hydroizolační vlastnosti.

¤ Obr. 1. Buněčná struktura polyuretanové pěny

Fyzikálně mechanické vlastnosti a využití polyuretanové pěny v oblasti stavebnictví závisí na její objemové hmotnosti. Například polyuretanovou pěnu o objemové hmotnosti 30 kg/m^-3 je možné využít v interiéru pro izolací stropů a stěn při aplikaci nástřikem. Polyuretanovou pěnu o objemové hmotnosti 40 kg/m^-3 lze aplikovat v exteriéru k izolaci kolmých ploch nástřikem a polyuretanová pěna o objemové hmotnosti 60 kg/m^-3 je využitelná jako stříkaná izolace střech. V tabulce 1 jsou uvedeny mechanické a tepelně technické vlastnosti polyuretanové pěny v závislosti na objemové hmotnosti.

¤ Tab. 1. Mechanické a tepelně technické vlastnosti polyuretanové pěny [2]

Polyuretanová pěna po ukončení životního cyklu
Jako plnivo do izolačních malt a lehkých betonů je využívána drť tvrdé polyuretanové pěny s maximální velikostí zrna 6 mm. Vlastní proces úpravy polyuretanové pěny jako plniva pro tepelně izolační omítky a lehké betony lze popsat ve třech bodech.

• Dezintegrace polyuretanu na kladivovém mlýnu na velikost zrna max. 12 mm.
• Zdrobňování na rychloběžných nožových mlýnech na velikost zrna polyuretanu max. 6 mm. Nastavení nožů, jejich poloha, ostření a tvar síta nožového mlýnu musí být specificky upravena pro drcení polyuretanu, a to tak, aby zpracovávaná tvrdá polyuretanová pěna po ukončení životního cyklu nebyla vzhledem ke své tříštivosti rozdrcena na prach s velikostí zrna < 1 mm.
• Třídění polyuretanu na vibračních nebo bubnových sítech a jeho ukládání do velkoobjemových textilních vaků - tzv. bigbagů.

Struktura hmot s polyuretanovým plnivem
Struktura a textura je popis a kvantifikace charakteru jednotlivých částic materiálu, jejich uspořádání a vztahy v různém měřítku pozorování. V případě polyuretanových směsí jde o velmi neuspořádané struktury, a proto je pro studium jejich stavby nezbytné použití přístrojového vybavení s různou úrovní zvětšení. Studium mikrostruktury těchto polyuretanových hmot dává možnost vysvětlit podstatu procesu stavby, zpevnění a spojení pojiva a plniva a jejich vzájemnou interakci, což může pomoci při předvídání dlouhodobého chování směsi.

Charakteristika vstupních materiálů klasifikovaných jako zrna
Polyuretanové plnivo pro izolační malty a lehké betony bylo pozorováno jak pomocí stereolupy, tak pomocí mikroskopu, kde byly využity oba režimy pozorování (VIS i UV). Vstupním materiálem byla polyuretanová drť ve frakcích 0/1 mm a 0/4 mm (viz obr. 2).

¤ Obr. 2. Fotografie polyuretanových drtí při sedminásobném zvětšení. A) fr. 0/1 mm, B) fr. 1/4 mm.

Pro výraznější zobrazení polyuretanové drti bylo použito pozorování UV záření, které u určitých látek, jako jsou například organické pryskyřice, vyvolávají fluorescenci. Takto vzniklé fluorescenční světlo je potom možné pozorovat. Vzniklé snímky jsou oproti pozorování v běžném světle kontrastnější a díky výrazným barvám fluorescenčního světla jsou polyuretanová zrna jednoznačně odlišitelná od okolního materiálu. V závislosti na použitém filtru mají polyuretanové materiály barvu žlutozelenou (WU filtr), nebo v různých odstínech modré podle složení (WB filtr). Na obr. 3 je zobrazena frakce 0/1 mm polyuretanové pěny po drcení. Ve fluorescenčním UV záření je patrné, že fluorescenční vlastnosti nemají jen polyuretany, ale i další organické materiály, jako např. vlákna, úlomky polyethylenu a dalších látek vyskytujících se v drti. Tato fluoreskující zrna je potom možné dobře odlišit ve směsi od anorganického pojiva, které nemá schopnost fluoreskovat.

¤ Obr. 3. Fotografie fluoreskující polyuretanové drtě fr. 0/1 mm, A) WB filtr, B) WU filtr

Charakteristika připravených směsí
Pozorovány byly dvě směsi, lišící se zrnitostí použité polyuretanové drtě. Směs 1 se zrnem max. velikosti 1 mm a směs 2 s max. velikosti zrna polyuretanu 4 mm. Pro přehledné zobrazení rozdělení pórů a částic v utuhlé směsi a vztahu mezi pojivem a zrny polyuretanu bylo použito pozorování pomocí stereolupy, viz obr. 4.

¤ Obr. 4. Fotografie stavebních směsí s polyuretanovou drtí při různém zvětšení. Sloupec A - směs s frakcí 0/1 mm, sloupec B - směs s frakcí 1/4 mm.

Při tomto způsobu zobrazení však nejsou polyuretanová zrna dostatečně zřetelně odlišitelná od okolního pojiva, které má v bílém odraženém světle téměř stejnou barvu. Proto bylo provedeno pozorování v napadajícím bílém světle pomocí mikroskopu BX 60 s výraznou barevnou korekcí v obrazové analýze a dále pozorování při fluorescenčním UV záření s využitím dvou filtrů (WB a WU).
Výše uvedené mikrofotografie dobře dokumentují skutečnost, že jednotlivé typy zobrazení samostatně mají poměrně malou vypovídací hodnotu a potřebnou informaci o typu materiálu, charakteru, uspořádání a povrchu dutin získáme až kombinací všech dohromady. Mikrofotografie pořízené v UV záření s WB filtrem velmi dobře zobrazují polyuretanová zrna bez rozdílu složení a s WU filtrem lze rozlišit různé typy fluoreskujících látek. Mikrofotografie jsou proto snímány vždy při stejném zvětšení a na stejném místě, aby byly dobře porovnatelné. Fotografie ze stereolupy potom zabírá větší zorné pole a není s mikrofotografiemi zcela kompatibilní.
Prostým srovnáním fotografií ze stereolupy při stejném měřítku je na první pohled patrné, že směs s hrubozrnnější drtí se oproti druhé směsi vyznačuje přítomností pórů ve větší velikostní škále, ve které jsou zastoupeny vedle pórů velkých řádově desetiny milimetrů i póry dosahující jednotek mm. Póry jsou převážně kulovitého tvaru, jen výjimečně mírně protažené. Ve hmotě jsou rozděleny rovnoměrně. Pro přesnější stanovení kvantitativních a kvalitativních vlastností pórů bude v následující etapě využita obrazová analýza.
Na základě pozorování v UV záření lze konstatovat, že polyuretanová drť je v utuhlé směsi rozdělena víceméně rovnoměrně, nedochází k vytváření shluků, a to jak ve směsích s jemnozrnnou drtí, tak ve směsích s hrubozrnnou drtí.

¤ Obr. 5. Fotografie utuhlé polyuretanové směsi. Sloupec A - směs s frakcí 0/1 mm, sloupec B - směs s frakcí 1/4 mm. Shora dolů - napadající bílé světlo, UV záření s WB filtrem, UV záření s WU filtrem.

Izolační malty
Izolační malty na bázi polyuretanové pěny byly vyvinuty za podpory dotace ze státního rozpočtu formou projektu výzkumu a vývoje v programu IMPULS s evidenčním číslem FI-IM5/015. Polyuretan (polyuretanová pěna) jako plnivo do tepelně izolačních malt pro omítání je sekundárním, tedy recyklovaným produktem. Má vhodnou objemovou hmotnost, vynikající tepelně izolační vlastnosti, je chemicky i objemově stálý. Při dezintegraci odpadního polyuretanu a následném třídění je možné navrhovat tepelně izolační malty pro omítání s přihlédnutím na optimální zrnitost zateplovací omítky. Vzhledem k tomu, že jednotlivá polyuretanová zrna mají otevřený povrch, v tepelně izolačních maltách jsou optimálně zakomponovány z hlediska segregace objemově rozdílných složek v omítkových směsích. Dále otevřený povrch zrn polyuretanu je částečně nasákavý vodou, takže tepelně izolační malty nejsou při vlastní aplikaci náročné na přesné dodržení množství záměsové vody.

Výhody aplikací tepelně izolační malty na bázi polyuretanu

• umožňuje přirozený odvod vlhkosti z interiéru budov, nižší pracnost při realizaci zateplení;
• omítku lze aplikovat ručně nebo pomocí strojního nanášení;
• při renovaci a dodatečném zateplení lze aplikovat polyuretanovou omítku přímo na hrubozrnné omítky typu brizolit;
• zvyšuje celkový tepelný odpor stavby při zachování prostupu par stěnou.

Fyzikálně mechanické vlastnosti tepelně izolační malty uvedené v tabulce 2 byly zkoušeny dle požadavků ČSN EN 998-1 [11].

¤ Tab. 2. Fyzikálně mechanické vlastnosti tepelně izolační malty na bázi polyuretanu fr. 1/4 mm

Ukázka aplikace izolační malty na bázi polyuretanu
Obvodové zdivo uvedeného objektu je tl. 600-900 mm a skladba obvodového zdiva je různorodá. Jedná se především o kamenné zdivo, pokládané na vápenné omítce, a toto zdivo je různorodě a nestejnoměrně prokládáno pálenými, místy i nepálenými cihlami. Přístavba, která byla provedena v roce 1990 ze severní strany uvedeného objektu, je provedena na betonových základech z plynosilikátových tvárnic, spojovaných vápennou maltou. Celý objekt není podsklepen.
Na obr. 6 a 7 uvádíme pohled na stavbu před a po zateplení obvodových stěn tepelně izolační maltou pro omítání. Na obr. 8 a 9 uvádíme pohled na zateplení interiéru před a po aplikaci tepelně izolační malty pro omítání.

¤ Obr. 6. Pohled na referenční stavbu ze západní strany před zateplením tepelně izolační polyuretanovou maltou pro omítání

¤ Obr. 7. Pohled na finální fasádu ze západní strany, zateplenou tepelně izolační polyuretanovou maltou pro omítání

¤ Obr. 8. Pohled na vnitřní klenbu a na zdivo zbavené původní omítky uvnitř stavby

¤ Obr. 9. Pohled na vnitřní klenbu po aplikaci tepelně izolační polyuretanové malty pro omítání a finální povrchové úpravy (štuk a malba)

Lehké betony na bázi polyuretanové pěny
Zcela specifické postavení mezi lehkými betony mohou zaujmout betony plněné drcenou polyuretanovou pěnou o objemové hmotnosti 30-60 kg/m^-3. Tento zcela nový materiál splňuje všechny požadavky kladené na moderní stavební hmoty. Fyzikálně mechanické vlastnosti betonu s plnivem na bázi polyuretanové pěny jsou uvedeny v tabulce 3.

¤ Tab. 3. Fyzikálně mechanické vlastnosti lehkého betonu na bázi polyuretanové pěny (polyuretanbeton)

Lehký beton na bázi polyuretanové pěny je nový stavební materiál, který je schopen nahradit současné lehké betony. Vyznačuje se především tím, že:

• Uzavírá vzduch v drceném polyuretanu. Takto uzavřený vzduch udržuje ve hmotě větší množství tepla, snižuje tedy tepelnou vodivost materiálu a dává mu i nízkou objemovou hmotnost. Obalením zrna polyuretanu pojivem je dána tomuto jinak hořlavému materiálu i jeho nehořlavost v této kombinaci.
• Polyuretan lze dávkovat v různém zrnitostním složení, čímž lze předem určit strukturu betonu a betonovou směs namíchat v libovolných poměrech s reprodukovatelnými hodnotami. Škála stavebně zajímavých možností je od extrémně lehkých (plovoucích ve vodě) až po konstrukčně použitelné lehké betony.
• Nedochází k segregaci jednotlivých složek ve směsi do hodnoty vodního součinitele 1,2.

Aby bylo dosaženo vyhovujících pevnostních parametrů betonové směsi na bázi tohoto materiálu, je nutné, aby polyuretan měl stanovenou odpovídající křivku zrnitosti. Zásadně totiž platí, že při určité objemové hmotnosti lehkého betonu na bázi polyuretanu je pevnost tím vyšší, čím je větší počet frakcí polyuretanu jako plniva.

Skladba polyuretanbetonové směsi
Při přípravě polyuretanbetonové směsi je nutné si uvědomit, že jde o výrobu lehkého betonu, jehož objemová hmotnost se pohybuje v rozmezí 400 až 1200 kg/m^-3, přičemž jednotlivé komponenty se velmi výrazně liší buď svými měrnými hmotnostmi, nebo svým charakterem. Aby v tomto případě bylo možno získat homogenní směs, je třeba dosáhnout toho, aby částice polyuretanu byly pokryty adhezní vrstvou, která by působila jako pojivo mezi jednotlivými částicemi polyuretanu a ostatními hydraulickými minerálními pojivy.

Ukázky aplikací polyuretanbetonu
Prefování
Ve spolupráci s Prefou Brno, a.s., závod Kuřim, byla odzkoušena aplikace prefování polyuretanbetonu o objemové hmotnosti čerstvé betonové směsi 1100 kg/m³. Namíchaná betonová směs v konzistenci sednutí kužele S3 (100-150 mm) byla dopravena do formy rozměru 3000x2000x150 mm prostřednictvím podvěsné rozvozové dráhy v bádii. V připravené formě již byla uložena armovací výztuž s krytím 30 mm (viz obr. 10 a 11). Po naplnění formy polyuretanbetonem bylo provedeno zhutnění ponorným vibrátorem (viz obr. 3) a srovnání horní vrstvy formy latí. Po 24 hod. následovalo vyjmutí panelu z formy, z důvodu ověření manipulovatelnosti (viz obr. 12 a 13). Krychelná pevnost polyuretanbetonu ve stáří 24 hod. činila 2,9 MPa a po 28 dnech, kdy zkušební tělesa byla uložena ve vodním prostředí, činila 5,1 MPa.

¤ Obr. 10. Pohled do formy s armovací výztuží polyuretanbetonu

¤ Obr. 11. Detail konzistence a uložení s armovací výztuží ve formě

¤ Obr. 12. Hutnění polyuretanbetonu ve formě ponorným vibrátorem

¤ Obr. 13. Vyjmutí polyuretanbetonového prefabrikátu z formy po 24 hod. staré

Příprava, transport polyuretanbetonu
Připravené polyuretanbetony mohou být dodávány zákazníkům o objemové hmotnosti 500-600 kg/m³, jako tepelně a akusticky izolační vrstva pod anhydritové samonivelační lité podlahy. Typická skladba konstrukce je uvedena na obr. 14. Vlastní záměs polyuretanbetonu probíhá klasickým způsobem v betonárně, zamíchaná směs je následně transportována na místo určení pomocí domíchavače. Konzistence polyuretanbetonu z hlediska uložení prostým výsypem se pohybuje ve stupních sednutí kužele S1 až S2. Pro čerpatelný polyuretanbeton se konzistence pohybuje ve stupni sednutí kužele S3 (100-150 mm). Reologii polyuretanbetonové směsi lze regulovat speciálně vyvinutým práškovým plastifikátorem DAXNER®.

¤ Obr. 14. Schéma aplikace transportu polyuretanbetonu pod anhydritové samonivelační lité podlahy

Polyuretanbetony dodávané jako suchá hotová směs
Polyuretanbeton lze dodávat jako suchou betonovou směs v pytlích, určenou pro zamíchání v klasické spádové stavební míchačce. Vzhledem k vlastnostem polyuretanového plniva v polyuretanbetonu nedochází k setřesení a fragmentaci jednotlivých složek suché betonové směsi. Úplnou novinkou je postupné uvádění na trh polyuretanbetonů určených pro aplikace pomocí běžných strojních omítaček, kde pytlovaná suchá betonová směs je dávkována do strojní omítačky s integrovanou mísicí zónou.

Závěr
Vzhledem k nárůstu polyuretanových odpadů v posledních letech je zapracování polyuretanové pěny po ukončení životního cyklu jako plniva pro tepelně izolační malty a lehké betony velmi aktuální z pohledu problematiky recyklace daného typu odpadu. Polyuretan svými vlastnostmi, ať už se týkají tepelných izolací, nepřímých odlehčení betonových směsí a fixaci v pojivové matrici, je plnohodnotnou náhradou lehkých plniv na bázi expandovaných vulkanických skel a recyklovaného polystyrenu.

Poděkování MPO ČR. Tato odborná publikace byla vytvořena v rámci programu IMPULS: Fi-IM5/015

Použitá literatura:
[1] Zhao, X.-Y., Tian, W.-L., Jiang, X.-L., Zhou, M.-J.: Properties and microstructures of EPS lightweight concrete modified with EVA, In Jianzhu Cailiao Xuebao/Journal of Building Materials, Volume 13, Issue 2, April 2010, Pages 243-246
[2] Dima, S.-O., Sarbit, A., Dobre, T., Radu, A.-L., Nicolescu, T.-V., Lungu, A.: Rheological behaviour of lightweight concrete with embedded EPS beat. In Materiale Plastice, Volume 46, Issue 3, 2009, Pages 224-229
[3] Molnar, J.: Perlite mining in Hungary. In Mining Magazine, Volume 161, Issue 6, December 1989, Pages 498-499, 501
[4] Kodolov, V.: Polyethylene foam waste utilization for light-weight concrete production. In International Journal of Polymeric Materials, Volume 47, Issue 1, 2000, Pages 7-17
[5] Mounanga, P., Gbongbon, W., Poullain, P., Turcry, P.: Proportioning and characterization of lightweight concrete mixtures made with rigid polyurethane foam wastes. In Cement and Concrete Composites, Volume 30, Issue 9, October 2008, Pages 806-814
[6] Kadey, F., L.: Perlite. In Surface Mining, 1990, Pages 224-229
[7] Václavík, V., Daxner, J.: New aggeragate into thermally insulating Mostar and lightweight concrete on hard polyuretane foam base. In Sborník konference Wastes and Environment, VSB-TUO, Ostrava 2009, Czech Republic, ISBN 978-80-248-2074-3, s. 293-298
[8] Václavík, V., Daxner, J.: The aplication of the heat-insulating plaster on a polyuretane base a reference house. In 13th Conference on Environment and Mineral Processing, Part II, VSB-TUO, Ostrava 2009, Czech Republic, ISBN 978-80-248-1995-2, s. 245-249
[9] Václavík, V., Daxner, J.: Aplikace polyuretanových recyklátů v tepelně izolačních omítkových směsích. In Sborník konference RECYCLING 2009, VUT Brno, Brno 2009, ISBN 978-80-214-3842-2, s. 16-21
[10] Filipi, B.: Plasty. Skripta VŠB-TU Ostrava. Vydalo Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství. Ostrava, 2003, str. 48, ISBN 80-86634-13-2
[11] ČSN EN 998-1 Specifikace malt pro zdivo - Část 1: Malty pro vnitřní a vnější omítky